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本篇文章将介绍 C 中的 volatile 限定符。我们将了解在 C 编程中如何以及在何处使用此限定符。

C 中的 volatile 限定符

在进行低级编程之前，我们不会使用 volatile 限定符。 在这里，低级编程意味着必须处理应该与硬件交互的 IO 端口和中断服务例程 (ISR) 的代码。

我们都知道编译器将 C 代码转换为机器代码，以便在没有源代码的情况下可以运行可执行文件。

与其他技术一样，C 编程的编译器也将源代码转换为机器代码。 在这里，编译器通常会努力优化结果（输出），以便在最后运行最少的机器代码。

这种优化从编译器的角度删除了用于访问未更新变量的不必要的机器代码。

示例代码：

int main(){
    int status = 0;
    while (status == 0){
    }
}

优化编译器将观察到名为 status 的变量在上面代码的 while 循环中没有更新。 因此，不需要在每次迭代时访问此变量。

编译器会将循环转换为无限循环 (while(1))，这样就不需要读取状态变量的机器代码。

编译器不知道状态变量也可以在循环之外的任何点在当前程序中更新。 例如，当外围设备发生 IO 操作时。

实际上，我们希望编译器在每次迭代时都能访问名为 status 的变量，尽管程序并未更改它。 现在，您可能会建议关闭此类 C 程序的所有编译优化以避免这种情况，但由于以下原因，这不是解决方案。

• 编译器的实现因人而异。
• 仅仅因为一个变量而关闭所有编译器优化可能会导致问题，因为某些其他程序部分可能需要其中一些优化。
• 由于关闭了编译器优化，低级应用程序无法正常工作。 例如，延迟执行。

这是我们需要 volatile 限定符的地方。 volatile 关键字只不过是我们（作为程序员）用来告诉编译器不允许对状态进行优化的限定符，其用法如下。

volatile int status = 0;

使用此限定符的人必须考虑 volatile 的以下属性。

• 它不能删除内存分配。
• 变量不能缓存在寄存器中。
• 该值不能在分配的顺序中更改。

在 C 编程中使用 volatile 限定符

在下面的代码中，我们打印一条消息“Waiting...”，直到线程更改名为 done 的变量，然后打印另一条消息“Okay，让我们继续”。

示例代码（无易失性）：

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <stdbool.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>

bool done = false;

void *tfunc(){
    sleep(1);
    done = true;
    return NULL;
}

int main(){
    pthread_t t1;
    pthread_create(&t1, NULL, tfunc, NULL);
    printf("Waiting...\n");
    while(!done){}
    printf("Okay, Let's move on");
}

编译并运行这个程序。

PS C:\Users\DelftStack\Desktop\C> gcc volatile.c -o volatile -lpthread
PS C:\Users\DelftStack\Desktop\C> ./volatile

如果我们查看以下输出，事情通常会按预期进行。

输出：

Waiting...
Okay, Let's move on

现在，我们为相同的源代码打开编译器优化。

PS C:\Users\DelftStack\Desktop\C> gcc -O3 volatile.c -o volatile -lpthread
PS C:\Users\DelftStack\Desktop\C> ./volatile

它没有按预期工作，因为它显示了下面的输出。

输出：

Waiting...

编译器查看 while 循环并注意到 done 变量在 while 循环中永远不会更新。 因为编译器没有意识到另一个线程修改了名为done的全局变量，这就是原因，编译器为我们更改了代码并破坏了程序。

这是我们使用 volatile 限定符的地方。 我们更新代码并使 done 变量可变。

示例代码（带有 volatile）：

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <stdbool.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>

volatile bool done = false;

void *tfunc(){
    sleep(1);
    done = true;
    return NULL;
}

int main(){
    pthread_t t1;
    pthread_create(&t1, NULL, tfunc, NULL);
    printf("Waiting...\n");
    while(!done){}
    printf("Okay, Let's move on");
}

即使经过优化，代码也能正常工作。 请参阅以下内容。

PS C:\Users\DelftStack\Desktop\C> gcc -O3 volatile.c -o volatile -lpthread
PS C:\Users\DelftStack\Desktop\C> ./volatile

输出:

Waiting...
Okay, Let's move on